基于E5CC 型温控器加热控制系统的设计与应用

张宏军，李钊安，杨兆林

（西安西部新锆科技股份有限公司，陕西西安 710200）

0 引言

在工业生产领域加热控制的核心是温度控制，温度控制应用很广泛，各类热处理设备、清洗设备、辅助加热设备等的加热系统都涉及温度控制。板材脱脂设备是一种清洗设备，主要用于锆合金板材的表面清洗。锆合金板材主要用于核电、核军工，对产品的清洁度要求极高，通过脱脂去除板材在加工过程中粘附在板材表面的润滑、冷却介质或油污，为后续真空退火工序做准备。工艺流程为60 ℃±5 ℃的脱脂液（配备一定比例脱脂剂的水）中对板材进行不少于30 min 的脱脂，然后进入65℃±5 ℃的水中进行2～5 min 的漂洗，最后进入90℃±5 ℃的水进行2～5 min的烫干。脱脂、热漂洗、烫干3 个工序都涉及温度控制。为此，基于欧姆龙E5CC 型温控器设计板材脱脂设备加热控制系统。

1 欧姆龙温控器工作原理

通过温度传感器对环境温度自动进行采样、即时监控，当环境温度高于控制设定值时控制电路启动，温控器的控制输出断开。为了减缓温度的衰减，保持设定温度波动可控，这时通过电路控制，可以适当降低加热器的投放功率，进行保温控制。如果到达设定温度后，温度还在上升，当升到设定的超限报警温度点时，温控器输出报警，同时控制电路将会切断加热设备，停止加热。欧姆龙E5CC-RX2ASM-800 型温控器控制原理如图1 所示。

图1 欧姆龙E5CC 型温控器工作原理

温控器通过操作面板可以设定加热温度和超温温度。若加热温度设定80 ℃，超温温度可以设定至90 ℃。1、2 端子是温控器控制输出端子，当检测温度未到达设定温度时，1、2 端子闭合；当检测温度到达设定温度时，1、2 端子打开。4、5、6 端子连接温度传感器；7、8，9、10端子为两组辅助输出端子，当检测温度大于超温温度时，这两个端子将闭合。通过该两组端子与外围控制器搭建控制回路，可以对加热系统进行控制。

温控器控制方式一般有两种，一种为上下限控制方式：即对温控器设定两个温度点，当温度高于某一温度时停止给加热丝供电；当温度低于某一设定温度时启动加热丝供电加热。这种方式的温度可控制在0.2 ℃波动。另外还有一种PID 调节方式：即对温控器设定一个恒温点，温控器会根据检测温度与设定恒温值差的大小，以及两者温差的变化速度通过PID 算法，自动调节加热丝的加热功率，使加热环境温度恒定为设定温度。这种方式可控制温度在0.1 ℃波动。

2 加热控制系统设计

板材脱脂设备主要用于锆合金板材表面的清洗。脱脂、热漂洗、烫干的温度要求不同，但是加热方式、温度控制的原理、方法相同。因此，分析研究烫干的工艺要求及板材脱脂设备的结构原理，设计加热控制系统。该加热控制系统也可用于脱脂、热漂洗槽体的加热。通过循环加热的方式对烫干槽体的水进行加热，由循环泵将槽体的液体抽出，通过加热水箱再回流到烫干槽。加热水箱中设计安装加热管，每个加热管中安装2 支测温铂电阻，一支用于控制加热温度、一支用于监控超温温度。设计两个温控器的目的是，一个用于温度设定、一个用于温度监控，温控器将采集的信号反馈到PLC，通过PLC 模拟量输出（4～20 mA）控制调压器的输出电压，最终达到控制加热功率的目的。

2.1 循环加热泵控制设计

循环泵主电路常规设计，通过三相空气断路器将电源接入接触器，接触器连接热继电器带有热保护功能，通过接触器的通断对循环泵电机进行控制。

2.2 加热功率设计

烫干槽槽体尺寸7000 mm×640 mm×1500 mm（L×W×H）；设计要求在满槽满功率的条件下，水温由室温（25 ℃）加热至90 ℃：

其中：Q 为发热量（kW）；C 为水的比热容（4.2 kJ/kg·℃）；ρ 为水的密度（kg/m3）；V 为水容量L（m3）；ΔT 为水在1 min 内的最大温升。

代入计算：

取总功率120 kW，设计单根加热管12 kW，共安装10 支即可满足要求。加热水箱安装结构如图2 所示。

图2 加热水箱安装结构

2.3 加热电路设计

通过加热管设定温控器（ct1）设定加热温度（t1），超温温度（t2）；通过加热管监控温控器（ct2）设定超温监控温度（t3）；一般t3＞t2＞t1，根据使用要求，设定t1、t2、t3温度。当未达到设定温度t1时，加热功率100%投入；当到达超温温度t2时，加热功率50%投入；当达到超温温度t3时，停止加热，加热功率为0。控制原理如图3 所示。

图3 加热电路控制原理

循环水箱10 支加热管分5 组，2 支为1 组，由5 个LSATH3P 120Y 型调压器通过控制输出电压对加热管加热功率进行控制，每支加热管安装2 支PT100的铂电阻，一支用于设定温度测量、一支用于监控超温温度测量。

PT100 铂电阻接入欧姆龙温控器，电气原理如图4 所示。其中I8.0 是设定温度到达反馈信号、I8.1 是超温温度到达反馈信号、I12.4 是超温监控反馈信号，接入PLC 数字量输入模块。调压器电路原理如图5 所示，其中R1、S1、T1 为输入主电源，L11、N1 为工作电源、E1、E2 为加热管、TY1+、TY1-为模拟量输出4～20 mA。每支加热管的控制方法相同，以E1（1#）加热管为例，总结归纳控制实施过程。

图4 温控器电气原理

图5 调压器电气原理

2.4 控制程序设计

2.4.1 程序设计

在触摸屏上设计手动加热按钮，同时设计参数设定画面，修改PLC 的内部寄存器VD200（1 组快速加热）、VD204（1 组慢速加热）参数，实现加热功率的改变。手动加热界面如图6 所示，参数设定界面如图7 所示。

图6 烫干槽手动控制界面

图7 参数设定界面

参数设计有保护程序，VD200 最大设定100，VD204 最大设定70，超过设定保护值时，参数无效。参数保护程序如图8 所示，PLC 输入、输出分配表见表1。

表1 PLC 输入、输出分配表

图8 参数保护梯形图

加热分3 种方式，一种手动方式，通过触摸屏手动加热按钮进行加热，加热按钮地址M0.0；第二种是自动加热方式；第三种为定时加热，到达定时器设定时间后，开始加热。加热准备控制程序如图9 所示。

图9 加热准备控制梯形图

参数VD200、VD204 通过条件判断送给寄存器VD100，通过VD100 将参数送给模拟量输出模块6ES7 288-3AQ04，经数模转换后输出4～20 mA 电流信号，触发调压器输出动态电压，控制加热管的输出功率。控制逻辑为在外围条件满足的情况下，如果检测温度没有达到设定温度时，温控器控制输出I8.0 闭合，VD200 寄存器数据传送给VD100，通过模拟量输出模块数模转换，将20 mA 电流送给调压器模拟量控制端子，输出端电压100%输出，加热管满功率工作；当检测温度达到设定温度时，I8.0 断开，调压器模拟量输入12 mA 电流信号，触发调压器输出端电压50%输出，加热功率投放25%，处于保温状态，使槽体的水温保持在设定温度。加热控制程序如图10 所示。模拟量输出模块控制程序如图11 所示。

图10 加热控制梯形图

图11 模拟量控制梯形图

经验证，该控制系统完全满足烫干工艺温度使用要求。目前该温度控制系统已经应用到板材脱脂设备的脱脂、热漂洗的温度控制，系统稳定、可靠，满足工艺温度使用要求。

3 结束语

基于欧姆龙E5CC型温控器设计的加热控制系统应用于板材脱脂设备，温度控制完全满足板材脱脂工艺要求，设备自投入使用以来，加热系统稳定、可靠。对于板材脱脂设备，冬季时，保温阶段投入30%的功率即可满足温度控制要求；夏季时，保温阶段投入25%的功率即可满足工艺要求。通过设计可以总结温度控制系统一般由被控对象、测量装置、调节器和执行机构等部分构成。被控对象是一个装置或过程，它的温度是被控制量。测量装置对被控温度进行测量，并将测量值与给定值比较，若存在偏差便由调节器对偏差信号处理，在输送给执行机构来增加或减少供给被控对象热量，使被控温度调节到设定值。在被控对象确定的情况下，布置的测量装置精度越高、数量越多、加热分区越多，则被控对象的温度控制精度相对更高。